可（kě）溯源計量型掃描電子顯微鏡裝置（zhì）設計方案  殷伯（bó）華供圖（tú）

人們探索世界的尺度越來越精細，微電子器件的應用也更加顯示出其優越性。例如，芯片上可集（jí）成的晶體管數越來越多，CPU的計算速度越來越快，功耗也極大的降低。

隨著半導體器件的尺寸逐漸逼近（jìn）摩爾定律的極限，在納（nà）米（mǐ）尺度下如何看（kàn）清這些（xiē）器件芯片上的微結（jié）構，如何對器件的尺寸進行精確檢測（cè）；在納米計量研究領域如何對納米標準顆粒、標準線寬、線紋尺等標準樣品進行計量標定等，都麵臨精確測量的問題。具備高（gāo）精（jīng）度和低誤差（chà）的可溯源計量型（xíng）掃描電子顯微（wēi）鏡（以下簡稱可溯源計量電鏡）可（kě）高效完成上述任務。

中國科學院（yuàn）電工研究（jiū）所聯合中國計（jì）量科學研究院、國家納米科學中心共同構建了國（guó）內首台可（kě）溯源計量電鏡（jìng），實現了微納米器件（jiàn）及標準（zhǔn）物質（zhì）等納米尺度（dù）的高精（jīng）度長度計量測量功能，以及對樣品掃描（miáo）成像的納米尺寸量值溯源。該裝備可有（yǒu）效減少電子束掃描成像過程中放大倍率波動和掃描線圈非線（xiàn）性特征在納米尺度測量中產生的誤差。

“消滅”掃（sǎo）描電鏡在（zài）可溯源計量中的（de）誤差

溯（sù）源計量電鏡的成像原理與普通掃（sǎo）描電（diàn）鏡相同，都是利用聚焦成納米（mǐ）尺寸的電子探針與被檢測樣品淺（qiǎn）層原子發生碰撞，產生二次電子信號，通過對二次電子信號（hào）進行放（fàng）大處理及（jí）檢測，從而（ér）實（shí）現微觀成像。

普通掃描（miáo）電鏡（jìng）通過調整（zhěng）放大倍率改變掃描範圍，通過偏轉電子束獲得掃描圖像。中國科學院電（diàn）工研究所高級工程師殷伯華對《中國科學報》表示，影響掃描電鏡圖像放大倍率準確性的因素很多，如加速電壓波動（dòng）、偏轉掃描非（fēi）線性特征、圖形漂移等，這些因（yīn）素最大可導致普通掃（sǎo）描電鏡放大（dà）倍（bèi）率的誤差達到（dào）5%~10%，尺（chǐ）寸測量（liàng）的不確定度（dù）難以評價。

值得一提的是，可（kě）溯源計量電鏡與普通掃（sǎo）描電鏡偏轉電子束掃描的成像方式不同。

中國科學院電工研（yán）究所研究員（yuán）韓立提出，在可（kě）溯源計（jì）量電鏡中，用納米（mǐ）位移台的步進掃描方式進行成像。“同時，可溯源計量電鏡引入（rù）激光幹涉儀作為位移台的測（cè）量工具，可以實現（xiàn）高精（jīng）度可溯源的微納米結構（gòu）尺寸測量，是半導體器件尺寸檢測過程中必（bì）不可少的儀器。”

具體地說，可溯源計量電鏡的新穎性在於保持電子束斑不（bú）動的前提下，在納米位移台逐點位移的過程中，通過實時采樣（yàng）二次電（diàn）子圖像信號方法獲取掃描圖像。同時，每個像素點對應的（de）納米台位置坐標從激光幹涉測量係統中獲取。“這種成像方法使圖像的像素點位置與激光幹涉儀的測量結果直接相（xiàng）關，實現了納米尺寸測量的量值溯源。”韓立表示。

這樣獲得的顯（xiǎn）微鏡（jìng）圖像中，每個像素點都對應一個激光幹涉儀測量獲得（dé）的精確位置坐標。“隨後（hòu）在測量（liàng）圖像中的樣品尺寸時，直（zhí）接對指（zhǐ）定像素位置坐標進行計算（suàn），即（jí）可獲得樣品的精確尺寸，因此掃描電鏡掃描範圍的波動等誤差不會影（yǐng）響（xiǎng）測量結果。”韓立（lì）告訴《中國科學報》。

基於此，研究團隊先（xiān）後研製了3套（tào）可溯源計量電鏡係統。目前可以對50mm×50mm的標準樣品中的微納結構進行尺寸溯源測量，單次掃描成像範圍達到100μm×100μm。

需環環相扣、層層（céng）把關

據悉，研究團隊研（yán）製的可溯源計量電（diàn）鏡實驗（yàn）平台主要由熱場發（fā）射掃描（miáo）電鏡主體、宏微結合堆疊結構的雙位移（yí）台（tái）定位掃描係（xì）統、激光幹涉測量係統、電子學控製係統和測量控製（zhì）軟件5部分構成。

其中熱場發射掃描電（diàn）鏡作為實現計量型電鏡成像方（fāng）法的（de）載體，負責電子束聚（jù）焦（jiāo）掃描與二（èr）次電（diàn）子圖形信號的收集；雙位移台單元（yuán）負責承（chéng）載被測樣品、精確定位和掃描成像；激光幹涉測量係統負責記錄位移台係統移動的位置信息；電子學控（kòng）製（zhì）係統負責高速掃描過程中每個位置的二次（cì）電子圖像信號采集（jí）；測量控製（zhì）軟件負責圖像顯示、結構尺寸（cùn）測量與邊沿識別。

可溯源（yuán）計量電鏡的構建，是（shì）依靠無數個細節堆積出來的。從開始的電路設計，到（dào）軟（ruǎn）件（jiàn）開發，再到工藝實驗、掃（sǎo）描（miáo）成像實驗……任何一個環節都決定著整個設計的（de）成敗。

殷伯華回憶，在進行第二（èr）套可溯源計量電鏡的製作時，激光幹涉儀的數據讀取出現了故障。研究團隊檢查了各類軟件和硬件，都（dōu）沒發（fā）現問題的原因。

“反複折騰了一（yī）個月，最後檢查發現，我們犯了一個特別簡單、低級的錯誤：激光幹涉儀到DSP控製器之間的一（yī）根信號線——地線沒有接好。”殷伯華說，接上地線後，激光測量（liàng）數據立（lì）馬恢複（fù）正常。“設備製作（zuò）過程中，類似（sì）這樣的細節工作非常多，每（měi）一（yī）個細節都會決（jué）定設備的進展。無數個細節堆在一塊兒，才有（yǒu）了最後精（jīng）準的儀器（qì）。”

此外，殷伯華介紹，光機電（diàn）和軟（ruǎn）件是（shì）一體的，它包括光學測量、嵌入式軟件開發、電子學控製、控製係統的設計開發等，整個實驗過程需環（huán）環相扣、層層把關，才能獲得高清晰度計量電鏡（jìng）的圖像，才（cái）能準確（què）測量微結構的（de）數（shù）據。

三位（wèi）一體“丈量”納米世界

研究團隊開發的可溯源計量電鏡是繼美國國家標（biāo）準技術研（yán）究所和（hé）德國聯邦物理技術研究院之後，國際上第3台同類儀器。“這使得我們國家相關科研人員可以參加國際納米組織的國際計量比對工作，提（tí）高了中國在國際納米計量標準製定（dìng）領域的話語權。”韓立表示。

中科院電工研究所（suǒ）是設（shè）備研製團隊，國家納米科學中心（xīn）是應用團隊，中國計量科學（xué）研究院是製定國家標準的團隊（duì）。“設備製造者研製儀（yí）器（qì）、應用者（zhě）進行使用、再由製定標準者進行國家標準的製定，這樣三（sān）位一體結合起來工作才能體現設（shè）備的意義。閉門造車（chē），自賣（mài）自誇沒用，用戶覺得準確、滿（mǎn）意才好。”殷伯華說。

據（jù）悉，目前，該可溯源計量電鏡（jìng）成像及測量係統已經在3個單位安裝運（yùn）行。

其中，第一台原理樣機的研製和測（cè）試工作在中國科學院電工研究所的SIGMA場發射（shè）掃描電鏡上進行，已（yǐ）經成功驗證了基於納米位移台步進掃描成像和（hé）基於激（jī）光幹涉（shè）測量數據的標準樣品尺寸可溯源測量。

第二台可溯源（yuán）計量電鏡成（chéng）像及（jí）測量係統安裝在中國（guó）計量科（kē）學研究院的ULTRA55場發射掃描（miáo）電鏡平（píng）台上，2014年順利完成了質檢公益性（xìng）行業科研專項項目的科研任務，實現了40微米區域的掃描（miáo）成像與（yǔ）可溯源計量工作（zuò）。2018年（nián），依托該裝置製訂了國家標準“掃描電子顯微鏡用微納（nà）米標準樣板校準方法（fǎ）”。

第（dì）三台係統安裝在國家納米科學（xué）中心的MERLIN場發射掃描電鏡平台上，利用該係（xì）統（tǒng）順利完成了中國科學院支持項目，實現了（le）100微米區域的掃描成像與（yǔ）可溯源計量研究（jiū）工作。

殷（yīn）伯華指出（chū），可溯源計量電（diàn）鏡的成功研製在中國納米尺度計量標準的製定、掃描電子顯微鏡及其他納米尺寸測量儀器的校準、納米標樣和標物的校準、參與國際長度比對等方麵將（jiāng）起到（dào）重要作用。

接下來，研究團（tuán）隊將進一步在激光光路、納米台設計與運動控製策略以及電子學控製方麵對顯微鏡進行優化設計，研究基於激光測量位置（zhì）的圖像重整方（fāng）法，從而進一步提高測量精度、降低測量不確定度。

“讓可溯源計量電鏡儀器真（zhēn）正成為計量行業和半導體檢測（cè）領域的‘慧眼’和（hé）‘尺子’，還原真實的納米世界。”殷伯華說。